学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

LD端泵掺Nd~（3+）准三能级激光器散热及热补偿技术研究

作　者: 闫仁鹏
导　师: 于欣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 全固态激光器准三能级热效应散热热补偿
分类号: TN248.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 96次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

激光二极管抽运的全固态激光器（DPSSL）以其高效率、小型化、长寿命等优点,成为近20年来激光领域研究的热点。而端泵掺Nd³⁺准三能级激光器由于其特有的0.9μm激光输出,也受到研究人员的广泛关注。但由于端泵激光器内部的温度不均匀分布和准三能级结构固有严重的热效应影响,限制其向高功率、高光束质量方向发展。鉴于此,本论文致力于通过对掺Nd³⁺准三能级0.9μm激光器的热效应和散热机制的分析,利用铟封技术和非稳腔技术对激光器的散热能力进行改善,提高掺Nd³⁺准三能级激光器的输出性能。本文首先基于Nd:GdVO₄晶棒中的Nd³⁺复杂能级,详细分析了掺Nd³⁺准三能级激光器的产热机制,并通过ANSYS软件模拟对比了准三能级激光器和四能级激光器内部的温度和热应力分布。在此基础上,利用谐振腔稳定法、干涉条纹法和光束质量反推法测量出Nd:GdVO₄准三能级激光器严重的热透镜效应,其最短热焦距在20⁴0 mm之间,远小于四能级激光器的热焦距。基于传热学原理,模拟了不同边界换热系数条件下激光介质内部的温度分布和端面形变量,说明提高边界换热系数的必要性。根据扩散焊原理,详细研究了铟封的微观作用过程。结合实验结果,优化铟封过程参量。在此基础上,利用铟封后的Nd:GdVO₄激光器,进行了912 nm激光实验,在平-凹腔条件下获得了最大14.3W的功率输出,相比采用普通铟包热沉的激光器最大输出功率提高了1.5W。在采用平-平腔条件下,采用铟封技术的激光器最大输出功率为12.5W,具有良好的光束质量（M²=3.02）和光强分布,优于同等条件下的铟包激光器,明显地改善了Nd:GdVO₄ 912 nm激光器的输出性能。根据谐振腔传输原理和所测得的热透镜焦距,设计出一组可对热透镜效应进行热补偿的非稳腔,并对其腔内振荡光斑随输入泵浦功率变化关系进行了模拟,说明了非稳腔在高功率情况下对热透镜效应良好的补偿作用。通过实验对比了非稳腔和稳定腔在25 mm短腔时的912 nm激光输出特性,利用f=150mm的凸-凹腔（凹面镜R=200 mm）获得最大14.2 W的912 nm激光输出,相比平-凹腔功率输出提升了1.8 W,而且还未进入饱和区间。在腔长为45mm时,在采用平面输出镜的条件下,可明显观察到谐振腔的稳定区间随凸面镜曲率半径的减小,向高功率方向移动。当f=25 mm时,利用凸-平腔获得最大6.5W的912 nm激光输出,高于平-平腔的5.3W输出。在此实验基础上,结合对调Q理论分析,进行了912 nm声光调Q脉冲激光运行实验,重复频率为10 kHz时,f=100 mm的凸-凹腔获得了最大平均功率为1.4 W,脉宽23 ns的912 nm脉冲激光输出,最大峰值功率为6.1kW。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 课题背景及研究意义  9
  1.2 掺Nd~(3+)的准三能级激光器研究进展  9-11
  1.3 二极管泵浦固体激光器传统冷却技术  11-13
  1.4 二极管泵浦固体激光器新型散热技术  13-17
    1.4.1 半导体制冷技术  13-14
    1.4.2 微通道冷却技术  14-15
    1.4.3 热管冷却  15-17
    1.4.4 新型复合晶体端面散热技术  17
  1.5 非稳腔热补偿技术综述  17-19
    1.5.1 非稳腔热补偿优势及应用  17-18
    1.5.2 非稳腔技术研究进展  18-19
  1.6 论文主要研究内容  19-21
第2章掺Nd~(3+)准三能级激光器热效应分析及测量  21-37
  2.1 掺Nd~(3+)准三能级激光器激光介质  21-22
  2.2 掺Nd~(3+)准三能级激光器产热机制  22-25
    2.2.1 固体激光器产热机制  22-23
    2.2.2 掺Nd~(3+)准三能级激光器产热机制  23-25
  2.3 热效应分析  25-30
    2.3.1 轴对称激光棒内的温度分布  26-27
    2.3.2 轴对称激光棒中的热透镜效应  27-29
    2.3.3 激光晶棒端面温度和压强分布模拟  29-30
  2.4 掺Nd~(3+)准三能级激光器热焦距的测量  30-36
    2.4.1 谐振腔稳定法  30-31
    2.4.2 干涉条纹法  31-34
    2.4.3 光束质量反推法  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第3章铟封原理及实验研究  37-50
  3.1 传热学基本原理  37-40
    3.1.1 热传递的基本形式  37-38
    3.1.2 傅立叶导热定律  38
    3.1.3 牛顿冷却公式  38-39
    3.1.4 固体激光器散热过程分析  39-40
  3.2 铟封的基本原理与步骤  40-45
    3.2.1 铟封的基本原理  40-42
    3.2.2 铟封的实验步骤和优化  42-45
  3.3 铟封和铟包激光器实验对比研究  45-49
    3.3.1 实验装置介绍  45
    3.3.2 实验结果及分析  45-49
  3.4 本章小结  49-50
第4章掺Nd~(3+)准三能级激光器热效应补偿实验  50-66
  4.1 非稳腔设计理论  50-55
    4.1.1 谐振腔稳定性理论  50-51
    4.1.2 平凸非稳腔的设计  51-55
  4.2 非稳腔连续补偿实验  55-60
  4.3 声光调Q 原理  60-62
  4.4 非稳腔补偿912nm 调Q 脉冲激光实验  62-64
  4.5 本章小结  64-66
结论  66-68
参考文献  68-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-75
致谢  75

LD端泵掺Nd~（3+）准三能级激光器散热及热补偿技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文